嵌入式技術(shù)論文(2)
嵌入式技術(shù)論文篇二
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)
【摘 要】本文介紹了嵌入式系統(tǒng)的含義、發(fā)展、現(xiàn)狀和我國在嵌入式系統(tǒng)中面臨的機(jī)遇，重點(diǎn)介紹了嵌入式系統(tǒng)的硬件，簡(jiǎn)要說明了嵌入式操作系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】單片機(jī);操作系統(tǒng);Linux;嵌入式系統(tǒng)
1.嵌入式系統(tǒng)的定義與市場(chǎng)前景
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要由嵌入式微處理器、外圍硬設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等部分構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能 。
PC機(jī)主要應(yīng)用在辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域，而嵌入式已經(jīng)滲入到人們的工作、生活中，如工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)器人等領(lǐng)域 。今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統(tǒng)大會(huì)(Embedded System Conference)的報(bào)告指出，未來5年僅基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國產(chǎn)生一個(gè)每年1500億美元的新市場(chǎng)。美國汽車大王福特公司的高級(jí)經(jīng)理也曾宣稱，“福特出售的‘計(jì)算能力’已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計(jì)算器工業(yè)的規(guī)模和廣度。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統(tǒng)大會(huì)上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個(gè)技術(shù)新熱點(diǎn)。 美國著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝99年1月訪華時(shí)預(yù)言，4～5年后嵌入式智能(計(jì)算機(jī))工具將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明 。這就是所謂的“后PC時(shí)代”概念。
2.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段
嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)30多年的歷史。近幾年來，計(jì)算機(jī)(Computer)、通信(Communication)、消費(fèi)電子(Consumer Electron)的一體化趨勢(shì)日益明顯，成就了3C融合之勢(shì).縱觀其發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了一下幾個(gè)階段。
第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器(PLC)形式的系統(tǒng)，具有監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這類系統(tǒng)大部分應(yīng)用在一些專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，沒有操作系統(tǒng)的支持，只通過匯編語言對(duì)其編程控制。
第二階段是單片機(jī)(又稱微控制器 MCU Microcontroller Unit)為基礎(chǔ)，這時(shí)候的編程語言從匯編轉(zhuǎn)變成以C語言為主。這一階段的MCU種類繁多，價(jià)格較低，現(xiàn)在依然發(fā)揮著重要作用。
第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這時(shí)候的單片機(jī)速度越來越快，功能越來越多。這時(shí)候軟件主要運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)上。嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行各種不同類型的單片機(jī)上，兼容性好;用戶界面較友好，具有大量的應(yīng)用程序接口API，開發(fā)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單。
第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、控制技術(shù)日益結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)通過各種總線形式和Internet的結(jié)合越來越密切 。
3.嵌入式系統(tǒng)的核心硬件
嵌入式系統(tǒng)的核心硬件是單片機(jī)，又稱微控制器(MCU)它是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，通常片內(nèi)都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)片內(nèi)集成的功能越來越強(qiáng)大，并朝著SoC(System on chip片上系統(tǒng))方向發(fā)展。單片機(jī)有著體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。
目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品。通常按單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)將單片機(jī)分為4位、8位、16位、32位機(jī)。
3.1 四位單片機(jī)。四位單片機(jī)適合用于各種規(guī)模較小的家電類消費(fèi)產(chǎn)品。一般的單片機(jī)廠家均有自己的四位單片機(jī)產(chǎn)品，有OKI公司的MSM64164C、MSM64481，NEC公司的75006×系列、EPSON公司的SMC62系列等。
典型應(yīng)用領(lǐng)域有：PC機(jī)用的輸入裝置(鼠標(biāo)、游戲桿)、電池充電器(Ni-Cd電池、鋰電池)、運(yùn)動(dòng)器材、帶液晶顯示的音、視頻產(chǎn)品控制器、一般家用電器的控制及遙控器、玩具控制、記時(shí)器、時(shí)鐘、表、計(jì)算器、多功能電話、LCD游戲機(jī)。
3.2 八位單片機(jī)。八位單片機(jī)是目前品種最為豐富、應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)，有著體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前主要分為MCS-51系列及其兼容機(jī)型和非MCS-51系列單片機(jī)。
MCS-51兼容產(chǎn)品因開發(fā)工具及軟硬件資源齊全而占主導(dǎo)地位， ATMEL、PHILIPS、WINBOND是MCS-51單片機(jī)生產(chǎn)的老牌廠家，CYGNAL及ST也推出新的產(chǎn)品，其中ST的新推出的μPSD系列片內(nèi)有大容量FLASH(128/256KB)、8/32KB的SRAM、 集成A/D、看門狗、上電復(fù)位電路、兩路UART、支持在系統(tǒng)編程ISP及在應(yīng)用中編程IAP等諸多先進(jìn)特性，迅速被廣大51單片機(jī)用戶接受 。CYGNAL推出了Soc的51系列單片機(jī)C8051F系列。集成了A/D D/A電路、看門狗，上電復(fù)位電路、I C、SPI、CAN總線、 FLASH技術(shù)、JTAG仿真調(diào)試，并且最高達(dá)到了100MIPS
非51系列單片機(jī)在中國應(yīng)用較廣的有MOTOROLA68HC05/08系列、 MICROCHIP的PIC單片機(jī)以及ATMEL的AVR單片機(jī)。
八位單片機(jī)在自動(dòng)化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
3.3 十六位單片機(jī)。十六位單片機(jī)操作速度及數(shù)據(jù)吞吐能力在性能上比8位機(jī)有較大提高。目前以INTEL的MCS-96/196系列、TI的MSP430 系列及MOTOROLA的68HC11系列為主 。
十六位單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表 、便攜式設(shè)備等場(chǎng)合。其中TI的MSP430系列以其超低功耗的特性廣泛應(yīng)用于低功耗場(chǎng)合。
3.4 三十二位單片機(jī)。32位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著技術(shù)發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價(jià)格的下降將會(huì)與8位機(jī)并駕齊驅(qū)。生產(chǎn)32位單片機(jī)的廠家與8位機(jī)的廠家一樣多。MOTOROLA、TOSHIBA、HITACH、NEC、EPSON、MITSUBISHI、SAMSUNG群雄割據(jù)， 其中以32位ARM單片機(jī)及MOTOROLA的MC683××、68K系列應(yīng)用相對(duì)廣泛?；贏RM核的單片機(jī)占據(jù)了2001年的32位單片機(jī)市場(chǎng)75%的份額。
3.5 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。從20年來單片機(jī)發(fā)展歷程可以看出，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器(MPU)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動(dòng)，表現(xiàn)出以下技術(shù)特點(diǎn)。
8位、32位單片機(jī)共同發(fā)展。這是當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一動(dòng)向。長期以來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)為主的。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足、迅猛的發(fā)展。
單片機(jī)速度越來越快。為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲，降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機(jī)兼容廠商改善了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)序，在不提高時(shí)鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多，Motorola單片機(jī)則使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率。68HC08單片機(jī)使用4.9MHz外部振蕩器而內(nèi)部時(shí)鐘達(dá)32M。三星電子新近推出了1.2GHz的ARM處理器內(nèi)核Halla
低電壓與低功耗。幾乎所有的單片機(jī)都有Wait、Stop等省電運(yùn)行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機(jī)都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對(duì)電池供電的單片機(jī)不再需要對(duì)電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。
低噪聲與高可靠性技術(shù)。為提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機(jī)商家在單片機(jī)內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如ST公司的μPSD系列單片機(jī)片內(nèi)增加了看門狗定時(shí)器，NS的COP8單片機(jī)內(nèi)部增加了抗EMI電路，增強(qiáng)了“看門狗”的性能。
ISP及IAP。在片編程技術(shù)(In System Programming)及在應(yīng)用中編程(In Application Programming)通過單片機(jī)上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時(shí)鐘線等對(duì)單片機(jī)編程，編程線與I/O線共享， 不增加單片機(jī)的額外引腳。ISP為開發(fā)調(diào)試提供了方便，并使單片機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試、升級(jí)成為現(xiàn)實(shí)
4.嵌入式系統(tǒng)的軟件
嵌入式系統(tǒng)的軟件從最初的匯編語言逐漸過度到C高級(jí)語言，到現(xiàn)在最終形成了以操作系統(tǒng)，出現(xiàn)了幾十種產(chǎn)品，代表性的有VxWorks、QNX、Nucleus、μC/OS 、Palm OS、Windows CE以及Linux系列。在技術(shù)上有以下特征。
(1)以為新的處理器越來越多，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更易于移植，以便在短時(shí)間內(nèi)支持多種微處理器。
(2)Linux產(chǎn)品在嵌入式上獲得了廣泛的應(yīng)用。Linux性能穩(wěn)定，裁剪性好，開發(fā)和使用比較容易，適用于多種嵌入式處理器。Linux得到了相當(dāng)廣泛廠商的支持RT-Linux產(chǎn)品也取得了很大的進(jìn)展。在家用電器、工業(yè)控制大有可為 。
5.發(fā)展和應(yīng)用我國自主的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)
目前，PC機(jī)的架構(gòu)為Wintel所控制、壟斷。在該領(lǐng)域，現(xiàn)在我們沒有主動(dòng)權(quán)，創(chuàng)新空間較小，專家估計(jì)，十年內(nèi)很難有所突破。而嵌入式系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的架構(gòu)，軟硬件需要多種多樣的組合，技術(shù)密集，市場(chǎng)容量大。我國在此領(lǐng)域有無限的創(chuàng)新空間 。例如“星光中國芯工程”是以數(shù)字多媒體芯片為突破口，第一次將“中國芯星光一號(hào)”率先打入國際市場(chǎng)的戰(zhàn)略工程在國際上處于領(lǐng)先地位。在該領(lǐng)域已處于領(lǐng)導(dǎo)地位。在操作系統(tǒng)領(lǐng)域，有中軟公司推出的“中軟實(shí)時(shí)嵌入式Linux操作系統(tǒng)”，對(duì)外部中斷可作出微秒級(jí)的響應(yīng)，能提供精確的實(shí)時(shí)始終控制，實(shí)時(shí)任務(wù)和線程的并發(fā)操作和同步機(jī)制 。
6.結(jié)束語
上述描述了嵌入式系統(tǒng)的含義，以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程、嵌入式系統(tǒng)的硬件、嵌入式操作系統(tǒng)，最后總結(jié)了我國在嵌入式系統(tǒng)中面臨的機(jī)遇，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)提供了參考，以期對(duì)研究該領(lǐng)域的人們有所幫助。
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